基本介紹
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粒子定義
現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。嚴格地說“粒子”這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態向量來描寫它們，詳細的理論基礎請參見量子場論。但按照粒子物理學的常規在這篇文章中這些物體依然被稱為“粒子”，雖然這些粒子也具有波的特性。
次原子粒子
次原子粒子今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學中最好的理論，它包含47種基本粒子，這些基本粒子相互結合可以形成更加複雜的粒子。雖然如此大多數粒子物理學家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發現。這段時間發現的中微子靜質量不為零是第一個與標準模型出現偏差的實驗觀測。
粒子物理學對科學哲學的衝擊非常大，一些粒子物理學家依然堅持還原論，這個老的理論受到許多哲學家和科學家的批評。
發現
在1884年湯姆生年僅28歲，就擔任英國劍橋大學卡文迪許(Cavendish)實驗室的主任。這位被稱為“年輕小伙子”自己也感到十分驚訝，想不到這位年輕人卻使設備簡陋的實驗室轉變成為世界上最負盛名的實驗核子物理重鎮。湯姆生和他的學生拉塞福是最早證實空氣被X射線游離。從這游離現象推導出遊離輻射(放射線)，也就是由原子釋出能量範圍廣大的電磁波和粒子輻射。電子是屬於次原子級的粒子，湯姆生是證明次原子級粒子存在的第一位，從此打開了次原子級的門戶，導致他的高足拉塞福在核子物理領內的貢獻。後來湯姆生證實電子和物質相互作用的結果會產生X射線，而X射線和物質相互作用的結果卻會產生電子。
第一個原子模型也要歸功於湯姆生，也就是聞名的“葡萄乾布丁模型”。他繪出原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數目的負電荷(電子)。在1906年湯姆生因在電子和氣體導電兩方面的卓越成就，獲得諾貝爾物理獎。
基本結構
亞原子粒子可分為兩大類：輕子和夸克。夸克沒有被發現單獨存在，而是兩個或三個地在一起。夸克的電荷是分數的。一切普通的物質都是由Ⅰ層面的粒子構成的。Ⅱ層面和Ⅲ層面似乎是Ⅰ層面的簡單複製，其中的粒子是高度不穩定的。可能尚有未發現的層面。
還為了理解超對稱，我們就得說說物質基本結構分析的另一個大線索：力。不管粒子動物園有多么紛壇複雜，其中看來只有四種基本的力：引力，電磁力（因與日常生活密切相關而廣為人知），弱作用力和強作用力。中子和質子之間的強力，當然不可能是基本力，因為中子和質子本身就是複合物而不是基本粒子。當兩個質子相互吸引時，我們實際上看到的，就是六種夸克相互作用的合力。這有兩個原因。第一，夸克有三色，而電荷卻只有一種，於是，與一種光子相對應的就是八種不同的膠子。第二，膠子也有顏色，因而彼此也有很強的相互作用，而光子不帶電荷，彼此間又是那么不相干。
20多年前，某些富有遠見的理論物理學家突然想到，大自然有四種基本力，這數目似乎太多了。很可能這四種基本力並不是真正獨立的。麥克斯韋在19世紀60年代提出了一個數學式，使 電力和磁力統一於一個單一的電磁場理論。很可能還會有進一步的綜合。
一種徘徊不去的難以解決的數學問題更推動了某些理論物理學家作如是想。但同一個數學特技對其他三種力卻不靈。人們希望，通過某種方式把電磁力和其他三種基本力結合進一個單一的描述式，這一個單一的描述式所具有的數學溫順性會消解電磁力之外的其他三種力，使人們能夠得出一個可以理解的算式。
實現這一宏偉目標的第一步是史蒂芬·溫伯格和阿布杜斯·薩拉姆在1967年邁出的。他們成功地改造了電磁力和弱作用力的數學表達式，使這兩種力被結合進一個統一的數學表達式之中。他們的理論表明，我們通常之所以把電磁力和弱作用力看成是不同的力（確實，二者在性質上顯著不同），是因為在我們現行的實驗中所利用的能量極低。當然，這裡所說的“低”是相對而言：現在的加速器可以給一次對撞足夠大的能量，假如這能量不是加在一個質子上而是加在一個檯球上的話，釋放出來的能量就會為一個普通人家提供幾百萬年之需！不過，溫伯格—薩拉姆理論有一種內含的能量單位，這種單位的能量只是到了現在才能由現有的技術達到。上面所說的現行實驗所利用的能量“低”，也是與這種單位相對而言的。
在20世紀70年代，實驗的證據慢慢積累起來，情況變得有利於溫伯格—薩拉姆理論。1980年，他們為在統一力研究方面的工作獲得了諾貝爾獎。1971年就已經證明，那令人頭痛的無窮可以象所希望的那樣，在一個統一式中被掃除，物理學家們開始談論大自然的三種而不是四種基本力了。
那令人頭痛的無窮之所以能被掃除，其主要原因是在統一力的理論中出現了更加抽象的對稱群。人們早就知道，麥克斯韋優美的電磁理論之所以有力量，之所以優美，在很大程度上要歸功於該理論的數學描述中所顯示出來的平衡和對稱。統一力的理論中又來了平衡，這平衡被稱作規範對稱，是一種抽象的平衡。但這種平衡能讓人想起日常生活中的事。
可以用攀登斷崖的例子來說明規範對稱。從崖底攀到崖頂要耗費能量。但是，由下往上攀登有兩條途徑。一條較短，是垂直著直接登上崖頂；再一條較長，是順著較緩的坡道登上崖頂。這兩條途徑哪一條更有效率呢？（見圖24）回答是：兩條途徑都要耗費相同的能量（在這裡，我們對諸如摩擦之類不相關的複雜情況忽略未計）。實際上很容易證明，攀登崖頂所需的能量是與所選用的途徑完全無關的。這，就是規範對稱。
上面所舉的例子說的是引力場的一個規範對稱，因為你要攀上崖頂，必須克服的是引力。規範對稱適用於電場，也適用於與電場類似但更為複雜的磁場。
現已證明，電磁場的規範對稱是與光子沒有質量的特性密切相關的，同時，也是使統一力理論避開災難性的無窮的一個關鍵性因素。溫伯格和薩拉姆終於馴服了弱力，使之與電磁力合併起來。
物理學家們受到統一規範理論成功的鼓舞，把注意力轉向了另一種核力——夸克間的色動力。不久之後，就提出了色規範理論，接著，有人便試圖將弱力和色動力統一到一個“大統一理論”（GUT）中去，辦法是使用更大的規範對稱將所有的其他對稱包容在一個規範對稱之中。目前，估價GUT的成就還為時尚早，但至少它所作的一個預測——經過無限長的時間之後，質子可能會很不穩定並自發地衰變——現在正有人進行檢驗。 但是，引力仍是沒有就範。無窮的難題報復性地纏住引力不放。現在，物理學家越來越傾向認為，只有在包含了某種超對稱的一種超統一理論中，這一難題才會獲得解決。一大群數學家和物理學家正在為創製一個這樣的理論而奔忙。這一理論的目標，是那不可抗拒的統一場理論的夢想——一個單一的力場，涵蓋大自然的所有的力：引力，電磁力，弱作用力和強作用力。但是，這還遠遠不夠。量子粒子和作用於這些粒子之間的力表明，任何一種力的理論同時也是一個粒子的理論。那么，超統一理論也應當能完全描述一切夸克和輕子，解釋為什麼在表1中有三個層面的粒子。
有人說，要是真能達到這個令人目眩的目標，也就是達到了基本物理學的頂點，因為象超統一理論這樣的一個理論能夠解釋一切物質的行為和結構——當然，是以一種還原論的方式進行解釋。有了超統一理論，我們就能夠用一個方程式，用一種宇宙的總公式把大自然的一切秘密都寫下來。這樣的一個成就會證實人們長久以來所寵愛的信仰——宇宙是按照一個單一的、質樸的，具有驚人的優美的數學原理運行的。約翰·惠勒下面的話，就表達了人們要達到這一最終目標的迫切心情：“總有一天，有一扇門肯定會開啟，顯露出這個世界的閃閃發光的中心機制，既質樸，又優美。”
我們離這智慧的極樂世界還有多遠呢？理論物理學家們現在正把他們的希望押在一套理論上。這套理論的名稱叫超引力。這套理論的關鍵是一種奇異的超對稱，這超對稱被描述為時空的平方根。它的意思是，假如兩個超對稱運算式相乘，你就會得到一個普通的幾何對稱運算，如空間中的移動。
乍看之下，這種抽象似乎沒有什麼大用處，但仔細分析就可以看到，超對稱與一個粒子可能具有的最基本的屬性之一——旋轉——有著密切的關係。人們發現，所有的夸克和輕子都以一種頗為神秘的方式旋轉。我們現在且不去管它如何旋轉。我們要關心的是，那些“信使”粒子——膠子、光子、還有引力和弱力的相應的粒子——或者是不旋轉，或者是以一種正常的而不是神秘的方式旋轉。超對稱的意義就在於，它把以神秘的方式進行旋轉的粒子和其他的粒子聯繫了起來，正如同位旋對稱把質子和中子聯繫起來一樣。於是，超對稱的運作能把一個旋轉的粒子變成一個不旋轉的粒子。當然，這裡所說的“運作”指的是數學步驟。實際上，把一個旋轉的粒子變成一個不旋轉的粒子是不可能的，正如你不能把你的左手變成右手一樣。
通過把引力理論置於超對稱的構架之中，引力的信使粒子（稱作引力子）就獲得了以一種“好玩的”方式旋轉的同伴粒子（稱作gravitinos），以及其他的粒子。這么多種類的粒子進入超引力理論，這就有力地表明，那可怕的無窮難題被壓下去了，而且，到目前為止利用這一理論進行的一切具體運算得出的結果都是有窮的。
在最為人們看好的一種超引力理論中，整個的粒子大家族的成員總數不超過70。這種理論所包含的許多粒子都能夠被認定就是現實世界中已知的粒子。對此看法，有人提出了反對意見，認為物質的結構沒有比夸克更低的層面了，夸克的世界已經是原子核的大了模糊不清的東西，在這一尺度上談論什麼東西存在於什麼東西“之內”就變得無意義了。因此，關於是否還有更基本的物質單位的研究工作仍在進行。
我希望，我對物理學家們正在進行的揭示物質終極結構的工作所做的簡略介紹，至少能讓大家多少對現代物理學研究有點認識。物理學家對待其研究對象的態度近乎敬畏，因為他們總是受一種信仰的支配，這就是，大自然是由數學的優美和質樸統治的；通過深入探究物質的結構，大自然的統一性將會顯明出來。迄今為止的一切經驗表明，所探尋的系統越小，所發現的原理就越一般。按照這一經驗來看，被我們偶然發現的世界的複雜性，在很大程度上純是我們的物質取樣系統的能量相對較低的結果。人們相信，隨著取樣系統的能量越來越高，大自然的統一性和質樸性也會變得越來越顯明。這也就是為什麼這么多的人力物力被投入建造超高能粒子加速器的緣故。人們想通過超高能粒子加速器闖進那質樸的狀態去探尋究竟。
然而，曾經有過那么一個時期，當時，這種質樸的狀態被大自然探尋過。那時，宇宙在大爆炸中誕生還沒有一秒，當時的溫度高達1027度，正好可以用作探尋原初質樸狀態所需的能量。這一段時間，物理學家們稱之為大統一時代，因為當時的物理正是受基本力的大統一理論的過程支配的。我們在第三章里所提到的至關重要的非平衡就是在當時確立的，而有了那種非平衡，才導致了物質稍稍多於反物質。後來，隨著宇宙的冷卻，原初的統一力也分化為三種不同的力——電磁力，弱作用力，強作用力。這些力都是我們在相對冷卻下來的宇宙中所看到的。
今天的複雜的物理，是由原初大爆炸火焰構成的質樸的物理冷卻而成的。這種看法，倒是美妙而吸引人。大自然的最終原理，也就是惠勒所孜孜以求的“閃光的中心機制”，我們因能量不足而難以窺見。假如人們追蹤到大統一時代以前的那些時期，追到離時間起始處更近、溫度更高的地方，就可以找到超引力了。超引力所代表的，就是存在的起始，在起始之處，時間和空間同基本力都結為一體。大多數物理學家認為，時空的概念在超引力時代之內是不能用的。實際上，有跡象顯示，時間和空間也應被看作是兩種場，這兩種場本身也是先幾何元素組成的原初湯“冷卻”而成的。因而，在這超引力的時代中，大自然的四種力是渾沌一體的，而時空則尚未成一個象樣子的形。當時的宇宙只是一堆超質樸的元件，是一些上帝用以造出時間、空間和物質的原料。
描述了物理學關於基本力研究的新近進展。這些進展已使人們以全新的觀點看待大自然。這種觀點的影響在物理學家和天文學家中間迅速擴大。現在，人們已開始把宇宙看成是由質樸的東西冷卻而生成的複雜的東西，頗象是渾然無形的海洋凍成了姿態各異的浮冰。科學家們有一種感覺，這就是宇宙學的研究課題和人們對物質當中的基本力的研究正在為宇宙提供一個統一的描述。在這種描述中，物質的極微結構與宇宙的總體結構緊密聯繫在一起，兩種結構都以一種微妙而複雜的方式影響著彼此的發展。
所描述的物理學的一系列成功，無疑代表了以還原論理論為其基礎的現代物理學思想的一個勝利。物理學家們試圖把物質還原為最終的構件——輕子、夸克、信使粒子——從而得以瞥見那基本的定律。而正是那基本的定律控制著形成物質的結構和行為的力量，從而能夠解釋宇宙的很多基本特點。
儘管如此，以這種方式追尋某種已被感覺到的終極真理是遠遠不夠的。我們在前面的幾章里看到，還原論不能夠解釋很多明顯的具有整體性特徵的現象。例如，我們不能用夸克來理解意識，活的細胞，甚至也不能以之理解諸如龍捲風之類的無生命的系統。否則，一定會鬧出笑話的。
當一個物理學家說，質子是由夸克“組成的”時，他的本意並非如此。比如，我們說一個動物是由細胞組成的，或一個圖書館是由書組成的時，我們的意思是說我們可以拿來一個細胞或一本書，或從那較大的系統那裡隨便拿來什麼東西，進行孤立的研究。但夸克卻不是這樣。就我們所知，不可能真地拆開質子拿出夸克來。
然而，拆開有著輝煌的歷史。拆開原子現在已成了家常便飯；原子核敲開較難，但在高能的衝擊下也會分裂。這或許意味著用高速粒子轟擊質子或中子，將會把質子或中子粉碎為夸克。然而，實際情況卻不是這么回事。一個極小的高速電子會穿過質子的內部，將其中的一個夸克猛烈地彈開，從而使我們確信質子內部的什麼地方確有夸克。但是，若打擊質子的不是小小的電子，而是一個大錘，即另一個質子，那么，我們就不會在質子的碎片中看見夸克，而只能看見更多的強子（質子、介子等等）。換言之，夸克從不孤立地出現。大自然似乎只準許夸克以集體的面目出現，出現的時候總是2個2個或3個3個地在一起。
因此，當物理學家說質子是由夸克組成的時，他的意思並不是說這些神秘的夸克可以單獨地顯現出來。他只是指一個描述層面，這一層面比質子層面更基本。管從某種意義上說，質子是合成的，不是基本的；但質子由夸克的合成與圖書館由圖書的合成不是一碼事。
這是因為，沒有哪種亞原子粒子（不管是夸克還是什麼別的基本粒子）是貨真價實的粒子。實際上，亞原子粒子可能連“東西”都算不上。這就使我們又一次認識到，所謂物質是某某粒子的集合這種描述，實際上必須被看作是由數學所確定的描述層次。物理學家對物質結構的精確描述只能通過抽象的高等數學來進行，而人們只有認識到這一背景，才能明白還原論所說的“由…組成”的真正含義。
海森堡的測不準原理的一個方面，很好地說明了量子因素給研究“什麼是由什麼組成的”這一課題帶來的困難。但這次的二象性，不是波粒之間的二象性，也不是運動與位置的二象性，而是能量與時間之間的二象性。能量與時間這兩個概念處於一種神秘莫測的對立關係之中：你知道了一個就不知道另一個。因而，哪怕在一個很短的時間內觀察一個系統，其能量也有可能發生巨大的起伏。在日常的世界裡，能量總是守恆的。能量守恆是經典物理學的柱石。但在量子微觀世界裡，能量可能以自發的、不可預測的方式不知從哪裡冒出來，或消失在哪裡。
當考慮到愛因斯坦著名的E=mc2的公式時，量子能量的起伏就變成了複雜的結構。愛因斯坦的公式說的是，能量和質量是相等的，或者，能量能夠創造物質。這已在前幾章里討論過了。不過，那幾章里所說的能量來自外部。這裡，我們想討論一下，在沒有外部能量輸入的情況下，物質粒子如何能從量子能量的起伏中被創造出來。海森堡的原理頗象個能量庫。能量可以短期借用，只要迅速歸還就行。借用期越短，可借用的量就越大。
比如在微觀世界中，一次突然的能量起伏可能使一個正負電子對在短期內出現又消失。這正負電子對的短暫存在，就是由海森堡式的借貸維持累加起來的效果，就使空無一物的空間有了某種變換的質地，儘管這是一種模糊的、不實在的質地。亞原子粒子就必須在這不停運動的海洋中遊動。不僅電子和正電子，而且質子和反質子，中子和反中子，介子和反介子，總之，大自然的所有粒子都是這么動盪不安。
從量子的角度來看，一個電子不僅僅是一個電子。變換能量的花樣在其周圍閃爍著，不知什麼時候突然促成了光子、質子、介子、甚至其他電子的出現。總之，亞原子世界的一切都附著在電子上，象是電子穿上了看不見摸不著的、轉瞬即逝轉瞬又來的一件大衣，或者說，象是幽靈一樣的群蜂嗡嗡地圍著中間的蜂巢飛翔，構成了蜂巢的覆蓋物。當兩個電子相互靠近時，它們的覆蓋物也糾纏在一起，於是，相互作用就發生了。所謂的覆蓋物，只不過是將先前被看作是力場的東西加以量子的表達罷了。
我們永遠也不能將電子跟其所帶有的幽靈粒子分離開來。當有人問“什麼是電子”時，我們不能說電子就是那個小粒子；我們必須說電子是不可分離的一整串東西，包括跟它在一起的產生力的幽靈粒子。這裡也有一種怪圈：力由粒子產生，而被產生的力又產生力…。
而對光子這樣的粒子來說，這種怪圈意味著光子可以展現出很多不同的面孔（faces）。通過借入能量，它可以暫時變成一個正負電子對，或一個正反質子對。已有人進行了實驗，試圖看到光子是如何變成正負電子對或正反質子對的。但是，人們又一次發現，要想從這種錯綜複雜的變化中分離出來“純”光子是不可能的。
就大多數不穩定而且壽命又極短的粒子來說，已難以說清哪些是“實海森堡原理造成的正負電子對，其壽命也跟ψ粒子差不多。誰能說前者是實在的，後者只是個幽靈呢？
一些年前，一位叫傑弗里·邱的美國物理學家把亞原子世界中的這種閃爍不停的變幻比作一個民主政體。我們不可能抓住一個粒子，說它就是某某實體。我們必須把每一個粒子看成是在一個沒有終結的怪圈中由所有的其他粒子組成的。沒有哪一個粒子比其他任何粒子更基本。（這就是我們在第四章里簡短地提到過的“拽靴襻”。）
我們將會看到，物質的本性在其量子論方面具有強烈的整體論的味道：物質的不同層面的描述是相互連鎖的，一切東西都是由另外的一切東西組成的，然而一切東西同時又顯示出結構的等級次序。物理學家們就是在這無所不包的整體性中追尋物質的終極成分，追尋終極的、統一的力。
新發現
2011年9月22日，歐洲粒子物理實驗室的科學家測量到了運動速度超過光速的亞原子粒子，如果發現得到證實，將顛覆愛因斯坦的相對論即物理學界的基礎。起初科學家們對此現象深表懷疑，但是經過重重謹慎的試驗，各個工序均無錯誤。
1905年，愛因斯坦提出的狹義相對論稱，在真空環境中，宇宙中沒有任何物質的運動速度可以超過光速。這已經成為人們理解宇宙和時間的理論依據，同時也是現代物理的理論基礎之一。如果真的證實這種超光速現象，其意義十分重大，整個物理學理論體系或許會因之重建。
但是該實驗最終錯誤，是測量人員的技術失誤。於2012年6月8日世界公布實驗錯誤。
粒子性質
名稱 | 符號 | 絕對電荷 | 相對電荷 | 質量/kg | 質量/u | 大概質量/u |
電子 | e | -1.6022×10負19次 | -1 | 9.10939×10負31次 | 0.00054 | 0 |
質子 | p | +1.6022×10負19次 | +1 | 1.67262×10負27次 | 1.00727 | 1 |
中子 | n | 0 | 0 | 1.67493×10負27次 | 1.00867 | 1 |
